\chapter{Visão integrada das Redes Ópticas de Acesso }
\label{ch:visao_geral}

Neste capitulo serão abordadas as tecnologias de redes ópticas de acesso: Rede
PON\footnote{Passive Optical Network}, Rede PON  Banda Larga, Rede PON Ethernet,
Rede FTTH\footnote{Fiber to the Home}, Rede WDM\footnote{Wavelength Division
Multiplexing}  PON, visando conhecer uma visão integrada das tecnologias.
No final deste capitulo, apresentamos estudo do FTTH  Council de 2011 exibindo a evolução das Redes GPON
e EPON no mundo e no Brasil.


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\section{Rede PON (Passive optical Network)}
\label{sec:ch2_pon}

As redes PON são estruturadas em estrela ou arvores com diagramas de valores
como apresentada na Figura~\ref{fig:fig01}.

\begin{figure}[h]
\begin{center}
	\begin{tabular}{c}		
		\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{figures/fig01.png} 	\\		
	\end{tabular}
\end{center}
\caption{Representação de rede FTTH PON.}
\label{fig:fig01}
\end{figure}


O OLT\footnote{Optical Line Termination} terminal de linha óptico, é o elemento
central da rede que é normalmente colocado no terminal de linha de transmissão óptico para transferência dos
sinais da rede local.

A ONU\footnote{Optical Network Unit} é uma conexão de interface entre o splitter
óptico e OLT, que são colocados no lado dos usuários.

As ONU's estão conectadas na OLT por meio de fibra óptica e nesta ligação não
existe elemento ativo. Uma ONU pode servir para o acesso de um FTTH ou a
múltiplos FTTC\footnote{Fiber To The Curb} . Os usuários podem ser instalados
tanto nas imediações do prédio FTTB como na caixa de visita FTTC. A tecnologia
PON é apresentada em topologia de arvore, que é a principal, apresentando
pequena variação de potência de sinal em diferentes estações. O elemento
principal que distingue a PON de outros tipos de redes é o sinal ser
unidirecional até o acoplador.

Na direção dowstream o sinal é enviado pela OLT para chegar a entrada do divisor
e depois este sinal chega às ONU's através do splitter que está ligado na OLT.
Embora o sinal seja atenuado, suas propriedades ficam mantidas.


Na direção inversa a situação é diferente, isto é, das ONU's para a OLT os
sinais das diferentes ONU's chegam na entrada do divisor.  A medida que estes
diversos sinais chegam ao divisor eles irão ser multiplexados entre todos e a
sobreposição de todos os sinais será recebido na OLT.

Na direção do upstream é usado TDM\footnote{Time Division Multiplexing}  para
evitar a interferência dos diferentes sinais das ONU's. Enquanto espera para
transmitir um sinal, a ONU faz armazenamento de todos os dados que estão
chegando. Os conteúdos da fila de espera são transmitidos num único burst
utilizando assim toda a largura de banda disponível no canal.

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\section{Rede PON - Banda Larga}
\label{sec:ch2_pon_banda_larga}

Redes BPON\footnote{Broadband Passive Optical Network}  foram uma das primeiras
tecnologias que foram introduzidas no mercado. Divulgado pelo ITU-T como
normatização das Telecomunicações em 1999, essa definição foi aceita por
fabricantes de equipamentos de redes que auxiliaram o grupo FSAN\footnote{Full
Service Access Network}   a definir a estrutura da rede de acesso de serviço
completo. Este grupo propôs o uso de ATM\footnote{Asynchronous Transfer Model}
que é um modelo de transferência assíncrono, para o transporte de dados nestas
redes, mais tarde as redes baseadas neste tipo de transporte foram chamadas
APON\footnote{Passive Optical Network over Asynchronous Transfer Mode}- Rede
Óptica Passiva sobre Modo de Transferência Assíncrona. A arquitetura BPON Rede
de Banda Larga Óptica Passiva é flexível e adapta-se bem a diferentes cenários.
O protocolo ATM dá suporte aos diferentes tipos de serviços por meio de
adaptação de camadas. O pequeno tamanho das células ATM e o uso de canais
virtuais e enlaces permitem a alocação da largura de banda disponível para o
usuário. O desdobramento de ATM no backbone das redes metropolitanas e o
mapeamento fácil para SDH/SONET\footnote{Synchronous Digital
Hierarchy/Synchronous Optical Network} permitem uso de somente um protocolo.


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\section{Redes PON Ethernet}
\label{sec:ch2_pon_ethernet}

As características das redes EPON foram aprovadas pela EFMA\footnote{Ethernet in
the First Mile Alliance}. A conclusão final do novo protocolo e a correção dos
já existentes está definida na divulgação de setembro de 2004 pelo IEEE 802.3ah.
O objetivo central é alcançar uma compatibilidade completa com outras redes
baseadas em Ethernet. Este tema será amplamente abordado no capitulo 4 - Redes
EPON~\cite{07}.


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\section{Redes FTTH (Fiber to the Home)}
\label{sec:ch2_ftth}
 
FTTH ou Fiber to the Home é a soma de tecnologias que permitem levar a fibra
óptica até a entrada dos usuários residenciais. Tem como vantagem serviços com
grande largura de banda, integrando voz, dados e vídeo. O seu funcionamento
ocorre diretamente na caixa de junção na entrada dos usuários. Em postes ou
enterrados, diversos pares de fios de cobre dentro de cabos transportam sinais
analógicos para realização de multiplexação analogica, estes sinais desta
tecnologia são menos precisos que a tecnologia digital. Na multiplexagem de
sinais digitais, os cabos de fibra óptica são superiores, se comparados aos
cabos de fios de cobre, devido a transmissão dos sinais digitais permitirem
transferências com maiores velocidades e largura de banda, tendo em vista sua
utilização, podemos afirmar que são ilimitadas. Isto permite maiores velocidade
de Internet, maior fluxo de vídeo e muitas outras aplicações que exigem largura
de banda~\cite{08}.

Os serviços de FTTH oferecem serviços com diferentes velocidades. Na camada mais
baixa da escala, o plano de serviços poderá oferecer velocidades da ordem de 10
Mbps. Em serviços que necessitam mais de largura de banda, o FTTH poderá
oferecer velocidades de transferência de dados superiores a 100 Mbps, o que é
muito superior às velocidades típicas DSL. A instalação de uma rede FTTH pode
ficar muito cara e dispendiosa assim como as mensalidades dos serviços de banda
larga. Espera-se que ao longo do tempo os serviços do FTTH, assim como sua
manutenção possam apresentar valores mais baixos, pois os serviços terão que ser
mais comuns e a cobrança do QoS\footnote{Quality of Service} serão um
diferencial em que todos podem exigir a qualidade do serviço.

O FTTH difere do FTTC da seguinte maneira: O FTTC não entra diretamente na casa
do usuário (residencial ou edifícios). A conexão é realizada em fibra óptica até
próximo do usuário, conectados em armários de rua ou em caixas de visita. Em
seguida passa por um conversor óptico eletrônico e sua transmissão é realizada
por pares de fios de cobre até a central~\cite{09}.

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\section{Redes WDM PON}
\label{sec:ch2_wdm_pon}

A tecnologia WDM PON é a próxima geração de tecnologia, quando se fala de
desenvolvimento no acesso de redes de acesso. Elas irão oferecer maior largura
de banda com preços competitivos. Utilizando-se para isso o AWG\footnote{Arrayed
waveguide grating} grade de Guia de Onda. O AWG é um multiplexador/demultiplexador de comprimentos de onda.

A arquitetura do WDM PON é similar à arquitetura PON. A grande diferença é que
na rede WDM PON a ONU opera em diferentes comprimentos de onda e consegue
atingir taxas de transmissão mais altas como apresentado na
Figura\ref{fig:fig02}.

\begin{figure}[h]
\begin{center}
	\begin{tabular}{c}		
		\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{figures/fig02.png} 	\\		
	\end{tabular}
\end{center}
\caption{Representação de uma rede WDM PON FTTH.}
\label{fig:fig02}
\end{figure}


O maior problema com o WDM PON é o comprimento de onda que é atribuído a uma ONU
de forma fixa. Isto provoca dificuldade nos upgrades da topologia de rede, o que
requer que se faça uma reconfiguração manual do equipamento nas imediações do
usuários. Logo, vai ser provocado um aumento do custo de manutenção da rede. A
solução é então as chamadas ONU colorless (ONU sem comprimento de onda fixo).
Estas ONU's detectam o cumprimento de onda que é utilizado na direção dowstream
e enviam dados neste mesmo comprimento de onda na direção upstream. Na direção
upstream a ONU modula o trajeto do comprimento de onda relativo aos dados
emitidos pela ONU. A vantagem deste tipo de abordagem é que a ONU não tem que
ser equipado com fontes de luz dispendiosas. Isto não só baixa o custo total do
equipamento, como também faz a ONU ser transparente ao sinal e a diferentes
comprimentos de onda.

A desvantagem do WDM PON é o alto custo do equipamento. A maior parte da
pesquisa efetuada em WDM PON pode servir para um grande numero de usuários na
tentativa de incrementar ganhos a partir dos recursos investidos e do custo da
eficiência. Como resultados, alguma estrutura hibrida tem sido proposta onde o
WDMA\footnote{Wideband Division Multiple Access} e o TDMA\footnote{Time
Division Mulple Access} são usados para aumentar o numero de futuros usuários.
Este modelo de rede é apresentado na Figura~\ref{fig:fig03}.
 
 \begin{figure}[h]
\begin{center}
	\begin{tabular}{c}		
		\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{figures/fig03.png} 	\\		
	\end{tabular}
\end{center}
\caption{Representação de rede WDM PON FTTH.}
\label{fig:fig03}
\end{figure}


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\section{Evolução das Redes EPON e GPON no Mundo}
\label{sec:ch2_evolucao}

 
Apresentamos a seguir a evolução no mercado mundial destas tecnologias.
Ressaltamos que as tecnologias de acesso EPON e GPON serão tratadas com maior
profundidade e detalhes em capítulos específicos adiante.

No quadro tecnológico e de serviços para as tecnologias EPON e GPON,
geograficamente temos: Tecnologia implantada no Japão pela operadora
NTT\footnote{Nippon Telegraph and Telephone Corporation}, operadora de
Telecomunicações Korea Telecom na Coréia e operadora de Telecomunicações Verizon
nos Estados Unidos da América e na Europa. No Japão, Coreia e nos Estados Unidos
da América as instalações das Redes Ópticas Passivas são preferencialmente EPON,
enquanto na Europa é preferencialmente a tecnologia GPON.

Na Ásia e Oceania a tecnologia EPON tem custos de implantação e operação mais
competitivos, oferecendo esta tecnologia com preços baixos para seus usuários.

Em estudo sobre FTTH realizado e apresentado pelo FTTH Council em Março de
2011~\cite{10}. Atualmente 20 países possuem fração acima de 1\%. dos lares
dispondo de conexão por meio de fibra. Entre esses 20 países, os quatro primeiros
encontram-se na Ásia: Coréia do Sul, Hong Kong, Japão e Taiwan.

O primeiro país, Coréia do Sul, tem 44\% dos lares conectados por fibra óptica,
Hong Kong com 28\%, Japão com 26\% e Suécia com 9\%. Os outros 16 países são:
Suécia, Noruega, Eslovênia, Estados Unidos, Islândia, Dinamarca, Andorra,
Holanda, Finlândia, Singapura, Lituânia, China, Itália, Estônia, Rússia e
Latvia, conforme apresentado na Figura~\ref{fig:fig04}.

 \begin{figure}[h]
\begin{center}
	\begin{tabular}{c}		
		\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{figures/fig04.png}\\		
	\end{tabular}
\end{center}
\caption{Estudo FTTH. Economias mundias com mais de 1\% penetraçao
residential.}.
\label{fig:fig04}
\end{figure}


Na América do Norte empresas como AT\&T\footnote{American Tephonic and
Telegraphic}, Verizon, SBC e Bell South detém juntas mais de dois milhões de casas ligadas, conforme estudo do Conchil de março de
2011, apresentado na Figura~\ref{fig:fig05}.  Na Europa, países como Itália
conta com mais de 600 mil assinantes de FTTX, Dinamarca com mais de 120 mil assinantes e a Suécia
com mais de 600 mil assinantes.


 \begin{figure}[h]
\begin{center}
	\begin{tabular}{c}		
		\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{figures/fig05.png}\\		
	\end{tabular}
\end{center}
\caption{Estudo FTTH. Numero de residências conectadas e percentual de penetração.}.
\label{fig:fig05}
\end{figure}

A região da Ásia e Oceania conta com um total de 16,6 milhões de usuários com
conexão por meio de fibra óptica. A NTT (Nippon Telegraph and Telephone
Corporation) tem mais de 30 mil assinantes EPON.
 

Na Figura~\ref{fig:fig06} temos a Evolução do FTTH na Europa, mostarndo o número
de residências conectadas e percentual de penetração. A França com a maior
porcentagem de usuários, em torno de 33\% e a Noruega com a menor porcentagem de
usuários, em torno de 3\%.

 \begin{figure}[!h]
\begin{center}
	\begin{tabular}{c}		
		\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{figures/fig06.png}\\		
	\end{tabular}
\end{center}
\caption{Evolução do FTTH na Europa.}
\label{fig:fig06}
\end{figure}


Ainda na Figura~\ref{fig:fig06}temos o número de residências conectadas e o percentual de
penetração nas residências.

A França lidera com ampla margem de porcentagem de usuários, em torno de 33\%.
Na Figura~\ref{fig:fig07} observa-se a evolução do FTTH na América do Norte que
apresenta uma curva crescente mostrando a evolução crescente com o número de
usuários em setembro de 2007 na ordem de 2.142000 usuários.

\begin{figure}[!h]
\begin{center}
	\begin{tabular}{c}		
		\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{figures/fig07.png}\\		
	\end{tabular}
\end{center}
\caption{Evolução do FTTH na América do Norte no período 2001--2007.}
\label{fig:fig07}
\end{figure}

A NTT no Japão e a Verizon nos EUA são as operadoras lideres na implantação da
tecnologia de redes FTTH. A rede FTTH da Verizon em 2011 estava disponível para
16,5 milhões de residências e detém 4,8 milhões de acessos de banda larga e 4,2
milhões de TV conectadas em suas redes. Já no primeiro trimestre de 2012 estava
disponível para 17,0 milhões de residências e possuía 5,0 milhões de acessos de
banda larga e 4,4 milhões de TV.


Os dados apresentados na Tabela~\ref{tab:tabela01} são referentes ao ano de 2011 onde o
somatório de acessos FTTH no mundo é 74,7 milhões; distribuídos da seguinte forma:

\begin{table}[h]
\caption{Dados do FTTH Council Europa 30/03/2011.}
\label{tab:tabela01}
	\centering
	\begin{tabular}{|c|c|}
	\hline
	\multicolumn{1}{|c|}   {\bf Milhões de FTTH}&
	\multicolumn{1}{c|}    {\bf 2011} 	\\
	\hline
		Ásia	& 54,3 \\
		EUA/ Canada &	9,7 \\
		Rússia e Vizinhos	& 5,7 \\
		Europa	& 4,5 \\
		Oriente Médio	& 0,52 \\
	\hline
		Total 	& 74,7 \\
	\hline
	\end{tabular}
\end{table}

No primeiro trimestre de 2012 a rede FTTH da Verizon estava disponível para 17,0
milhões de residências e possuía 5,0 milhões de acessos de banda larga e 4,4
milhões de TV.

Na América latina a tecnologia GPON está implantada em pequena escala em cidades
tais como: Buenos Aires, Bogotá, Santiago e São Paulo. Na Colômbia a empresa
Telefônica oferece serviços com taxas de 10 Mbps na tecnologia GPON. Na
Argentina a Motorola possui a tecnologia GPON para os assinantes.

No Brasil as operadoras com serviços triple-play (voz, dados e vídeo) por fibra
óptica com taxas de 2,5Gb/s em até 20 km de distância tem equipamentos
desenvolvidos por empresas multinacionais estrangeiras e brasileiras~\cite{11}
que atende as recomendações ITU-T G.984 (GPON) para soluções dos serviços que estão
em desenvolvimento nas operadoras e no CPqD\footnote{Centro de Pesquisa e
Desenvolvimento}. Em estudo atualizado verifica-se que em 2011, 12,5\% dos
acessos de banda larga fixa no mundo eram FTTH/B.




